Grundlagen des Quantencomputing für Dummies E-Book

William Hurley

• Herausgeber: Wiley-VCH GmbH
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: ...für Dummies
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2024

Seitenzahl: 590

Beschreibung

In diesem Buch erfahren Sie, wieso Quantencomputer Probleme lösen können, für die Supercomputer Millionen von Jahren brauchen würden. Die Autoren zeigen Ihnen, welche wirtschaftlichen Potenziale das Quantencomputing für Ihr Unternehmen birgt und wie es Ihre Arbeit unterstützen kann. Sie vermitteln Ihnen nicht nur die Grundlagen, sondern zeigen Ihnen ganz konkret, wie das Quantencomputing Industrien wie das Finanzwesen, Transportwesen, die Pharmazie und Cybersecurity transformieren wird. Um Quantencomputing und sein Potenzial verstehen zu können, benötigen Sie keinen Doktortitel, sondern nur dieses Buch.

Leseprobe

Grundlagen des Quantencomputing für Dummies

Schummelseite

Haben Sie schon von Quantencomputern gehört? Möchten Sie mehr darüber erfahren? Haben Sie vor, in absehbarer Zukunft Algorithmen für Quantencomputer zu programmieren? Lesen Sie weiter, um einige Schlüsselbegriffe zu verstehen, die verschiedenen Arten von Quantencomputern kennenzulernen, einen Überblick über die wunderbare Welt der Qubits zu erhalten und zu erfahren, wo Sie einen entsprechenden Kurs belegen können. (Das heißt, einen oder mehrere Online-Kurse.)

BEGRIFFE AUS DEM QUANTENCOMPUTING

Das Quantencomputing ist eine neuere Form der Datenverarbeitung, bei der die Prinzipien der Quantenmechanik zur Ausführung von Rechenaufgaben genutzt werden. Die folgenden Definitionen werden Ihnen helfen, sich in der fremdartigen, aber faszinierenden neuen Welt des Quantencomputing zurechtzufinden.

Quantenmechanik: Eine andere Art von Physik als die klassische Mechanik, mit der die Menschen in ihrem täglichen Leben konfrontiert sind, und die sie von typischen Computern erwarten, den so genannten klassischen Computern. Die Prinzipien der Quantenmechanik gelten in der Regel für sehr kleine Teilchen, wie Atome, Elektronen und Photonen. Sie kommen ebenfalls bei bestimmten Materialien unter extremen Bedingungen, also extremen Temperaturen und Druck, zum Tragen. Also zum Beispiel bei bestimmten Metallen, wenn diese supergekühlt (auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt) und so angeordnet sind, dass sie einen Strom abwechselnd blockieren oder zulassen.Kohärenz: Solange Materie, die nach quantenmechanischen Prinzipien funktioniert, nicht direkt beobachtet, gemessen oder anderweitig gestört wird, ist sie kohärent: Sie kann quantenmechanische und nicht klassische Eigenschaften wie Superposition, Verschränkung und Tunneling zeigen.Superposition (Überlagerung): Ein kohärentes Teilchen kann sich gleichzeitig in einer Vielzahl von Zuständen abbilden und kollabiert erst bei einer Messung in einen bestimmten Zustand. So kann beispielsweise ein Elektron in einem Superpositionszustand einen Spin – eine magnetische Eigenschaft – haben, der weder nach oben (1) noch nach unten (0) gerichtet ist, bis der Spin gemessen wird; dann nimmt er entweder einen Wert von 1 oder 0 an.Verschränkung: Wenn zwei kohärente Teilchen verschränkt sind, sind der Zustand des einen und der Zustand des anderen miteinander verbunden. Sind beispielsweise zwei Elektronen verschränkt, kann der Experimentator durch die Messung eines der beiden Elektronen, das sich im Zustand 0 befindet, feststellen, dass sich das andere Elektron im Zustand 1 befindet, unabhängig davon, wie weit das andere Elektron entfernt ist.Tunneling: Ein kohärentes Teilchen kann tunneln, das heißt, es kann zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem Ort erscheinen und im nächsten Augenblick an einem anderen, möglicherweise ziemlich weit entfernten Ort auftauchen. Das Teilchen durchquert nicht den Raum zwischen den beiden Orten. Ein tunnelndes Teilchen wird durch Barrieren, die sich zwischen seinem Ausgangsort und seinem nächsten Ort befinden, nicht beeinträchtigt oder behindert.Superkühlung: Werden bestimmte Materialien, zum Beispiel einige Metalle oder Keramiken, fast bis auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt, können sie in einen sogenannten superkühlten Zustand versetzt werden. In diesem Zustand hat das Material keinen Stromwiderstand und kann quantenmechanische Eigenschaften aufweisen, obwohl das Material aus Millionen oder Milliarden von Atomen besteht.Bose-Einstein-Kondensat: Ein Bose-Einstein-Kondensat (BEC) ist ein Gas, das unter extremem Druck steht, auf eine extrem kalte Temperatur reduziert ist oder beides, sodass es quantenmechanisches Verhalten zeigt, obwohl es aus Millionen oder Milliarden von Atomen besteht.

VERSCHIEDENE ARTEN VON QUANTENCOMPUTERN

Quantencomputer gibt es heute in verschiedenen Varianten, die Ihnen alle auf Ihrer Reise in diese neue Welt der Technologie begegnen können:

Quantensimulator: Ein Quantensimulator, der auf einem klassischen Computer läuft – in der Regel über einen Online-Cloud-Dienst verfügbar –, kann Ihnen den Einstieg in das Quantencomputing zu geringen oder gar keinen Kosten ermöglichen.Quanteninspiriertes Computing: Leistungsstarke Hochleistungscomputer (HPC), auf denen Softwarealgorithmen laufen, die Ideen und Ansätze aus der Welt des Quantencomputing aufgreifen, liefern bereits heute nützliche Ergebnisse, während die Leistungsfähigkeit »echter« Quantencomputer allmählich zunimmt.Quanten-Annealer: Ein Quanten-Annealer ist eine weniger leistungsfähige Art von Quantencomputer, der dafür aber einfacher zu bauen und zu betreiben ist. Er kann ein begrenzteres Spektrum an Problemen bewältigen als ein gatterbasierter Quantencomputer.Gatterbasierter Quantencomputer: Ein gatterbasierter Quantencomputer verwendet ebenso wie ein klassischer Computer Logikgatter, allerdings von einer anderen Art, die es ermöglicht, die quantenmechanischen Eigenschaften der Qubits bei der Ausführung von Programmen zu nutzen.

QUBIT-TYPEN

Qubits sind winzige Materieteilchen, die so vorliegen, dass sie quantenmechanische Eigenschaften aufweisen und über Steuerungsmechanismen wie Laserstrahlen, Mikrowellenstrahlung oder Magnetfelder verfügen.

Die Steuerungsmechanismen ermöglichen es, das Qubit zu initialisieren (in einen unbestimmten Quantenzustand), es durch Programmierschritte zu manipulieren (in der gatterbasierten Datenverarbeitung Logikgatter genannt) und zu messen, um ein Ergebnis zu erhalten, das heißt, 0 oder 1 für jedes Qubit.

Qubits können in einen Superpositionszustand versetzt werden, sie können miteinander verschränkt werden und sie können tunneln.

Nachfolgend sind die in Quantencomputern mit Logikgattern verwendeten Qubits aufgeführt, die derzeit am meisten entwickelt werden, in die investiert wird, und die verwendet werden.

Supraleitende Qubits: Ein supraleitendes Qubit besteht in seinem Kern aus winzigen Metallstückchen (die jedoch immer noch eine große Anzahl von Atomen enthalten). Die Metallstückchen sind supergekühlt (auf einen Wert nahe dem absoluten Nullpunkt). Die Steuerung erfolgt mittels Mikrowellen und Lasern. Quantencomputer mit supraleitenden Qubits haben derzeit die höchste Anzahl von Qubits (bis zu einigen hundert).Ionenfallen-Qubits: Ein Atom, das ursprünglich eine neutrale elektrische Ladung hat, wird ionisiert, das heißt, es wird ein Elektron hinzugefügt oder entfernt, wodurch das Ion eine positive Ladung erhält (wenn ein Elektron, das eine negative Ladung hat, entfernt wird), oder eine negative Ladung (wenn ein Elektron hinzugefügt wurde). Da das Atom eine Ladung hat, lässt es sich leicht mit Hilfe von Magnetfeldern einfangen, wobei zur Steuerung auch Laser eingesetzt werden können. Quantencomputer mit Ionenfallen-Qubits haben sich als höchst zuverlässig (im Sinne der Genauigkeit bei der Ausführung von Programmierschritten) und stabil erwiesen.Kalte und neutrale Atom-Qubits: Nicht-ionisierte Atome können ebenfalls als Qubits verwendet werden, indem Laser als Steuerungsmechanismus eingesetzt werden.Photonische Qubits: Photonen – die energiereichen, masselosen Teilchen, aus denen das Licht besteht –- können als Qubits verwendet werden, indem Laser und andere Techniken als Steuerungsmechanismus eingesetzt werden.Silizium-Spin: Elektronen sind in winzigen Hohlräumen in Silizium, den so genannten Quantenpunkten, gefangen und werden durch Laser und Magnetfelder gesteuert.

MEHR LERNEN IN ONLINE-KURSEN

Es gibt Online-Kurse, in denen Grundlagen des Quantencomputing, die Programmierung von Quantencomputern und andere wichtige Fähigkeiten im Bereich des Quantencomputing vermittelt werden. Hier sind einige der besten Optionen:

MIT Quanteninformationswissenschaften: Die Online-Version eines Kurses des renommierten Massachusetts Institute of Technology (MIT).

https://ocw.mit.edu/courses/8-370x-quantum-information-science-i-spring-2018/

Quantenkryptographie: Ein erschwinglicher Online-Kurs des weithin bekannten California Institute of Technology (Caltech).

https://www.edx.org/course/quantum-cryptography

Das Quanteninternet und Quantencomputer: Wie werden sie die Welt verändern? Ein Online-Kurs für Anfänger von der Universität Delft in den Niederlanden. Unterrichtet auf Englisch.

https://www.edx.org/course/the-quantum-internet-and-quantum-computers-how-w-2

Quantencomputer verstehen: Ein Online-Kurs, der die Grundlagen behandelt und die Mathematik weitgehend vermeidet.

https://www.futurelearn.com/courses/intro-to-quantum-computing

Quanten-Quest: Ein Kurs für Oberstufenschüler, der die Online-Plattform Discord für die Kurskommunikation nutzt.

https://www.quantum-quest.org/

Quantum Machine Learning: Ein praktischer Programmierkurs der Universität Toronto.

https://www.edx.org/course/quantum-machine-learning

Quantencomputing: Weniger Formeln – mehr Verstehen: Ein solider Einführungskurs der Universität St. Petersburg (Russland), der in mehreren Sprachen unterrichtet wird.

https://www.edx.org/course/quantum-machine-learning

Schwarzer Opal: Ein Kurs des Quantencomputerunternehmens Q-Ctrl, der sich auf die berufliche Ausbildung mit einer Zertifizierungsoption konzentriert.

https://q-ctrl.com/black-opal

Grundlagen des Quantencomputing für Dummies

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

1. Auflage 2024

© 2024 Wiley-VCH GmbH, Boschstraße 12, 69469 Weinheim, Germany

Original English language edition Quantum Computing For Dummies © 2024 by Wiley Publishing, Inc.

All rights reserved including the right of reproduction in whole or in part in any form. This translation published by arrangement with John Wiley and Sons, Inc.

Copyright der englischsprachigen Originalausgabe Quantum Computing For Dummies © 2024 by Wiley Publishing, Inc.

Alle Rechte vorbehalten inklusive des Rechtes auf Reproduktion im Ganzen oder in Teilen und in jeglicher Form. Diese Übersetzung wird mit Genehmigung von John Wiley and Sons, Inc. publiziert.

Wiley, the Wiley logo, Für Dummies, the Dummies Man logo, and related trademarks and trade dress are trademarks or registered trademarks of John Wiley & Sons, Inc. and/or its affiliates, in the United States and other countries. Used by permission.

Wiley, die Bezeichnung »Für Dummies«, das Dummies-Mann-Logo und darauf bezogene Gestaltungen sind Marken oder eingetragene Marken von John Wiley & Sons, Inc., USA, Deutschland und in anderen Ländern.

Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie eventuelle Druckfehler keine Haftung.

Umschlagfoto: BPawesome – stock.adobe.comKorrektur: Regine Freudenstein

Print ISBN: 978-3-527-72195-5ePub ISBN: 978-3-527-84772-3

Über die Autoren

William Hurley, bekannt als »whurley«, ist Gründer und CEO von Strangeworks, einem Quantencomputer-Startup mit Sitz in Austin, Texas. Im Laufe seiner Karriere besetzte er technische Führungspositionen bei Unternehmen wie Apple, IBM (wo er Master Inventor war), BMC Software und Goldman Sachs. Er gründete zwei frühere Startups, Chaotic Moon (übernommen von Accenture) und Honest Dollar (übernommen von Goldman Sachs). Zusammen mit StackOverflow gründete er die weltweit größte Gemeinschaft von Entwicklern für Quantencomputer sowie die Quantum Standards Working Group beim Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). whurley schreibt regelmäßig für TechCrunch und hält weltweit Vorträge über die potenziellen Möglichkeiten und Auswirkungen des Quantencomputngs und der künstlichen Intelligenz. Er ist Mitautor des Buches Quantum Computing For Babies. Er lebt mit seiner Frau und seinen Kindern in Austin, Texas.

Floyd Smith ist Direktor für Produktmarketing bei Onehouse, einem Startup im Silicon Valley in Sunnyvale, Kalifornien. Während seiner beruflichen Laufbahn war er in den Bereichen Marketing und Technik für Unternehmen wie Apple, Electronic Arts, HSBC und Visa sowie für Startups in London, Neuseeland und im Silicon Valley tätig. Floyd ist erfolgreicher Autor und Blogger, dessen Bücher mehr als eine Million Mal verkauft wurden. Sein bisher meistverkauftes Buch, Creating Web Pages For Dummies, war ein früher Erfolg und hat Hunderttausende von Menschen in die Erstellung von Websites eingeführt. Es wurde in mehr als ein halbes Dutzend Sprachen übersetzt und erlebte über einen Zeitraum von 15 Jahren neun Neuauflagen. Floyd hat einen BA-Abschluss der Universität von San Francisco in Information Systems Management und einen MSc-Abschluss der London School of Economics in Information Systems. Er lebt an der Küste in der San Francisco Bay Area in der Nähe seiner zwei erwachsenen Kinder und drei Enkelinnen.

Widmung

Dieses Buch ist meiner Frau und meinen Söhnen für ihre unendliche Liebe und Unterstützung gewidmet. Außerdem in Erinnerung an meinen verstorbenen Freund, Mentor und Geschäftspartner, Mike W. Erwin; wir vermissen dich sehr.

— whurley

Dieses Buch ist meinen wunderbaren Enkeltöchtern Honour, Eva und Mira gewidmet.

— Floyd Smith

Danksagung der Autoren

Das Quantencomputing ist eine sehr neue und sehr technische Angelegenheit – und wunderbar seltsam. Es waren äußerst intensive und anhaltende Anstrengungen erforderlich, um den aktuellen Stand dieser aufstrebenden Kunst in einem Buch zu erfassen. Wir möchten all den vielen Menschen, die daran mitgewirkt haben, unsere Anerkennung aussprechen. Dies waren unter anderem Susan Pink, unsere unglaublich geduldige und fleißige Redakteurin; Andrea Delgado, unsere scharfsinnige und prägnante technische Redakteurin; Steven Hayes, leitender Redakteur bei Wiley, der das Redaktionsteam zusammenstellte; Carole Jelen, Floyds Agentin, ohne die diese Arbeit nicht möglich gewesen wäre; und mehrere Mitarbeiter von Strangeworks, die sich über ihre Pflicht hinaus engagiert haben. Dr. Andrew Ochoa bahnt sich neue Wege bei der Weiterentwicklung und Nutzung von Quantencomputern; er trug zu Beginn und am Ende des Projekts entscheidende technische Erkenntnisse bei. Idalia Friedson lässt für die Kunden von Strangeworks Träume wahr werden und trug einen einzigartig wertvollen Blickwinkel bei, der sich in unzähligen Bearbeitungen niederschlug. Und Art Director Casey Barthels und sein Team Nichole Majeske und Ada Onyiuke arbeiteten teilweise rund um die Uhr, um die Qualität und Quantität der Bilder in diesem Buch auf ein sehr hohes Niveau zu bringen.

Inhaltsverzeichnis

Cover

Titelblatt

Impressum

Über die Autoren

Widmung

Danksagung der Autoren

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Einleitung

Über dieses Buch

Leichtsinnige Annahmen über den Leser

In diesem Buch verwendete Symbole

Über das eigentliche Buch hinaus

Wie es jetzt weitergeht

Teil I: Die Macht des Quantencomputing

Kapitel 1: Das Quantencomputing-Bootcamp

Verstehen, warum Quantencomputing so seltsam ist

Die Macht des Quantencomputing verstehen

Puff, Magie – oder kurz: Qubit?

Quantencomputing braucht Kohärenz

Die Leistung des Quantencomputing in Zahlen fassen

Was Quantencomputing für die Menschen bewirken kann

Die verschiedenen Arten von Quantencomputern

Was stoppt uns?

Kapitel 2: Ein Rückblick auf das frühe und klassische Computing

Warum der klassische Computer nicht verschwinden wird

Ein Blick in die Vorgeschichte der Computer

Die Entstehung des klassischen Computings

In Gedenken an den ersten elektronischen Computer

Klassisches Computing und Quantencomputing verbinden

Kapitel 3: Die Wurzeln des Quantencomputing

Die Schlüssel zur Quantenmechanik identifizieren

Auswirkungen der Unsicherheit erkennen

Die Geschichte der Quantenmechanik – ein Überblick

Kapitel 4: Einführung in die Quantentechnologie 1.0

Die Suche nach Lasern an der Grenze des Machbaren

Das Studium der Quantenmechanik nach 1930

Wettlauf um Solarzellen (1890er Jahre)

Beobachtung von Elektronenmikroskopen (1931, 1965 und 1981)

Die Optimierung des Transistors (1947)

Zeitmessung mit Atomuhren (1955)

Die Entstehung von Masern und Lasern (1953 und 1960)

Abtastung für NMR- und MRT-Geräte (1977)

Auswirkungen der Quantentechnologie 1.0 – eine Abschätzung

Kapitel 5: Präsentation des Quantencomputing

Einen Rahmen für Quantencomputer zusammenzimmern

Die Theoriebildung in den 1960er und 1970er Jahren

Entstehung der Grundlagen in den 1980er Jahren

Der Durchbruch in den 1990er Jahren mit Algorithmen und Hardware

Der Startschuss für das Quantencomputer-Rennen von heute

Kapitel 6: Das Quantencomputing nimmt Fahrt auf

Den technischen Fortschritt anschieben – 2000–2010

Mehr Ressourcen investieren – 2010–2015

Der weitere Fortschritt – 2016 bis heute

Herausfinden, was für das Quantencomputing noch benötigt wird

Teil II: Einsatzmöglichkeiten für das Quantencomputing

Kapitel 7: Die Wahl zwischen klassischem Computing und Quantencomputing

Grenzen des klassischen Computings

Herausfinden, wofür Quantencomputing die richtige Lösung ist

Kapitel 8: Erste Schritte im Quantencomputing

Fünf Klassen von Lösungen identifizieren

Nach diesem Algorithmus tanzen

Die Entscheidung, ob Sie jetzt anfangen sollen

Einbindung Ihrer Organisation

Quanteninspirierte Lösungen in Betracht ziehen

Kapitel 9: Alles dreht sich um den Stack

Den Stack analysieren

Annealing als mögliche Alternative

Die Wahl des Quantencomputer-Typs

Kapitel 10: Das Rennen um das perfekte Qubit

Identifikation der drei Erfolgslevel von Qubits

Das Rennen um den gezielten Quantenvorteil gewinnen

Ein Besuch des Qubit-Zoos

Kartierung der Modalitäten-Landschaft

Was als Nächstes kommt

Kapitel 11: Auswahl eines Qubit-Typs

Spieler anhand der Scorecard unterscheiden

Eine Strategie für das Quantencomputing wählen

Teil III: Sich mit dem Quantencomputing verschränken

Kapitel 12: Mit Quantencomputern Programmieren

Herausfinden, was wir tun

Herausfinden, wie es geht

Zurück zu den BASICs

Die Anforderungen für ein Quanten-Programm beschreiben

Wie ein Entwickler denken

Eine Entwicklungsumgebung einrichten

Woher Sie Ihr Quantum bekommen

Singing QAOA-ooooo

Einen Quantenalgorithmus in seine Einzelteile zerlegen

Die Frage: Wie geht es weiter?

Kapitel 13: Anwendungsbereiche des Quantencomputing

Denken in drei Kategorien

Kryptografie mit Quanten knacken

Die Suche nach Walter in einem Meer gestreifter Hüte

Das Bargeld ergattern

Sich versichern, dass Quantum die Zukunft prägt

Mit Logistik die Welt in Schwung bringen

Träumen vom maschinellen Lernen

Auf der Suche nach dem neuen Öl in Quantum

Materialismus matters!

Mit Simulationen zu besserer Gesundheit

Neue Arzneimittel entwickeln

Neuartige Nebelfelder erkennen

Kapitel 14: Algorithmen für Quantencomputer

Algorithmen des Quantencomputing konkreten Anwendungen zuordnen

Die Grundlagen von Quantenalgorithmen verstehen

Ein Besuch im Quantenzoo

Eine neue Art Zeit finden

Der Deutsch-Jozsa-Algorithmus

Shor-Quantencomputing für sehr große Zahlen

Mit Grover auf der Suche

Der Quantenphasenschätzungsalgorithmus

Der Simonsche Algorithmus

Die Quanten-Fourier-Transformation (QFT)

Der Vaidman'sche Quanten-Zeno-Effekt

Linearität entdecken mit dem HHL-Algorithmus

Lösen und Simulieren mit QAOA

Zurück auf dem Boden der Tatsachen mit VQE

Weitere Algorithmen – eine kurze Bewertung

Was auf uns zukommt

Kapitel 15: Optionen für einen Cloud-Zugang zu Quantencomputern

Erkundung der wichtigsten Optionstypen

Die Bedeutung von Amazon Braket

Auf Azure Quantum zählen

Google Quantum AI

Die Quantencomputer-Anbieter geben sich die Ehre

Mit Strangeworks das Quantenpotenzial entfesseln

Kapitel 16: Weiterbildung

Online-Kurse

Tutorials und Dokumentationen nutzen

Unstrukturierte Vorgehensweisen beim Lernen

Interaktion und Spaß

Teil IV: Der Top-Ten-Teil

Kapitel 17: Zehn Mythen um das Quantencomputing

Quantencomputing wird erst in 10–15 Jahren kommerziell verfügbar sein

Ein Qubit kann eine 0 und eine 1 zur gleichen Zeit sein

Quantencomputer werden die klassischen Computer ersetzen

Nur ein Physiker kann Quantencomputer programmieren

Quantencomputer werden bald alle Probleme klassischer Computer lösen

Wir sollten alle »die Klappe halten und rechnen«

Bald wird es nur noch eine kleine Anzahl von Quanten-Hardware-Unternehmen geben

Quantum-Unternehmen haben alle Spezialisten, die sie für das Wachstum der Branche benötigen

Quantencomputing wird die Datenverschlüsselung zerstören

Die quantensichere Kryptografie bietet vollständige Datensicherheit

Kapitel 18: Zehn Antworten auf technische Fragen

Wird die Quantentechnologie ihren Weg in ein Verbraucherprodukt finden?

Ist die Quantenwelt real? Wird Ant-Man unsere Welt retten?

Wie erklärt man einem Dummy das Quantencomputing?

Wohin geht die Reise im Bereich des Quantencomputing?

Wann wird das Quantencomputing kommerziell nutzbar?

Was ist die coolste Anwendung von Quantencomputern?

Wo wird das Quantencomputing den größten Umbruch bewirken?

Wie lange dauert es, bis der Shor-Algorithmus RSA bricht?

Wie kann man Quantencomputing in der Fertigung einsetzen?

Wo ist die Überschneidung zwischen Quantencomputing und KI/ML?

Kapitel 19: Zehn geschäftliche Fragen beantworten

Wie kann ich den Markt für ein neues Unternehmen, ein Produkt oder eine Dienstleistung einschätzen?

Wie bewerte ich den Bedarf meines Arbeitgebers, ein Early Adopter zu sein (oder nicht)?

Welche Rollen und Berufe werden im derzeitigen Entwicklungsstadium benötigt?

Welchen Hintergrund braucht man, um Programmieren auf Quantencomputern zu lernen?

Welchen Rat können Sie Neulingen geben?

Welche Universitätsprogramme würden Sie empfehlen?

Wer ist der derzeit führende Entwickler von Quantencomputern?

Welche Gewohnheiten haben Ihnen bei Ihrer Karriere geholfen?

Was sind Ihre größten gelernten Lektionen?

Kapitel 20: Zehn universitäre Forschungsprogramme

Universität Oxford, UK

Universität California, Berkeley

Stanford-Universität

Caltech

Massachusetts-Institut für Technologie

Harvard-Universität

Universität Chicago

Universität Maryland

Universität Waterloo

Universität New South Wales, Sydney

Abbildungsverzeichnis

Stichwortverzeichnis

End User License Agreement

Tabellenverzeichnis

Kapitel 7

Tabelle 7.1: Proof-of-Concept-Implementierungen von Quantenalgorithmen.

Kapitel 9

Tabelle 9.1: Vergleich von Quanten-Annealern und universellen Quantencomputern.

Kapitel 14

Tabelle 14.1: Einige Algorithmen sind in mehreren Anwendungsbereichen nützlich.

Kapitel 15

Tabelle 15.1: Öffentliche Cloud-Anbieter und Hersteller von Quantencomputern.

Illustrationsverzeichnis

Kapitel 1

Abbildung 1.1: Ein Quantencomputer-Prozessor von IBM.

Abbildung 1.2: Die Roadmap für Quantencomputer von IBM zeigt das bisherige und da...

Abbildung 1.3: Verschränkte Qubits beeinflussen sich gegenseitig.

Kapitel 2

Abbildung 2.1: In den Händen eines erfahrenen Benutzers ist der Abakus erstaunlic...

Abbildung 2.2: Die Antikythera gibt weiterhin nur langsam ihre Geheimnisse preis....

Abbildung 2.3: Es gab Zeiten, in denen Rechenschieber unverzichtbar waren – für B...

Abbildung 2.4: Eine Tabelliermaschine und ihre Bedienerin addieren die Ergebnisse...

Abbildung 2.5: Eine deutsche Enigma-Chiffriermaschine aus dem Zweiten Weltkrieg.

Abbildung 2.6: Typische Architektur eines klassischen Computers.

Abbildung 2.7: Der Intel 80486, ein wichtiger Mikroprozessor.

Kapitel 3

Abbildung 3.1: Elektronenorbitale werden als Formen dargestellt, die die wahrsche...

Abbildung 3.2: Eine supraleitende Magnetschwebebahn auf der ersten in Betrieb bef...

Abbildung 3.3: In Galileos

Dialog

wird seine heliozentrische Sicht der Planeten v...

Abbildung 3.4: An der fünften Solvay-Konferenz nahmen die meisten der wichtigsten...

Kapitel 4

Abbildung 4.1: Ein Laser für medizinische Zwecke.

Abbildung 4.2: Fortschrittliche Solarzellen liefern Energie für die Erforschung d...

Abbildung 4.3: Ein Wafer mit Mikroprozessoren.

Abbildung 4.4: Eine optische Strontium-Ionen-Uhr.

Abbildung 4.5: Ein Laser, der Atome superkühlt.

Abbildung 4.6: Sir Peter Mansfield mit einem Original-MRT-Gerät.

Kapitel 5

Abbildung 5.1: Augusta Ada King, Gräfin von Lovelace.

Abbildung 5.2: Richard Feynman weckt in einer Vorlesung von 1959 das Interesse de...

Abbildung 5.3: Ein CNOT-Gatter, das für das gatterbasierte Quantencomputing unerl...

Abbildung 5.4: Bei der Quantenkommunikation kommt die Verschränkung zum Einsatz.

Abbildung 5.5: Das US-Verteidigungsministerium hat große Ideen für Quantentechnol...

Abbildung 5.6: Grovers Algorithmus findet Nadeln im Heuhaufen schneller.

Abbildung 5.7: Der erste funktionierende 2-Qubit-Computer wurde 1998 entwickelt.

Kapitel 6

Abbildung 6.1: Das Institut für Quantencomputing an der Universität von Waterloo....

Abbildung 6.2: Die Verschränkung für die Quantenkommunikation erreichte 2017 den ...

Abbildung 6.3: John Martinis, oben rechts, arbeitete in den 1990er Jahren am NIST...

Kapitel 7

Abbildung 7.1: Wenn Sie 60 Jahre oder jünger sind, hat sich die Geschwindigkeit d...

Abbildung 7.2: Die Umsätze der Cloud-Anbieter steigen rasant – und damit auch die...

Abbildung 7.3: Die Anzahl der Berechnungen für exponentielle Laufzeiten wächst se...

Abbildung 7.4: Die Simulation von Strömungsdynamik ist für die Konstruktion von F...

Kapitel 8

Abbildung 8.1: Erwarteter Nutzen verschiedener Quantencomputerlösungen im Laufe d...

Abbildung 8.2: Faktorisierung auf klassischen Computern im Vergleich zu einem zuk...

Abbildung 8.3: Die Bedrohung der Internetsicherheit durch die Quantentechnologie ...

Abbildung 8.4: Identifizierung taktischer und strategischer Möglichkeiten für Ihr...

Abbildung 8.5: Künftige Maßnahmen, die nach der Bewertung einer Produktpräsentati...

Kapitel 9

Abbildung 9.1: Die Schichten, aus denen ein Quantencomputersystem besteht.

Abbildung 9.2: E pluribus unum (von vielen eines) – gut für ein Land, aber schwie...

Abbildung 9.3: Ein D-Wave-Computer zur Lösung eines Optimierungsproblems.

Abbildung 9.4: Eine Darstellung der Struktur von geglühtem Eisen.

Abbildung 9.5: Es ist nicht immer einfach, das höchste Maximum zu finden.

Kapitel 10

Abbildung 10.1:

Wettlauf zum Mond

ist eine von vielen Geschichten über den Wettla...

Abbildung 10.2: whurleys Vortrag über QuantumanAI beschreibt, wie Quantencomputin...

Abbildung 10.3: Vergleich der Modalitäten für die wichtigsten Qubit-Typen.

Abbildung 10.4: Eine grobe Vorstellung von Skalierbarkeit und Genauigkeit der der...

Kapitel 11

Abbildung 11.1: Anbieter von Quantencomputern nach Modalität.

Abbildung 11.2: Ionisierte Atome lassen sich beim Quantencomputing mit Ionen-Fall...

Abbildung 11.3: Supraleitende Schleifen sind das Herzstück von Transmon-Qubits.

Abbildung 11.4: Photonen können auf verschiedene Weise für Qubits verwendet werde...

Abbildung 11.5: NMR-Qubits waren in den 1990er Jahren entscheidend für die Einfüh...

Kapitel 12

Abbildung 12.1: Eine Bloch-Sphäre.

Abbildung 12.2: Ausgewählte Logikgatter für Quantencomputer.

Abbildung 12.3: Ein Beispiel für eine Quantenschaltung.

Abbildung 12.4: Der Strangeworks-Produktkatalog.

Abbildung 12.5: Der QAOA-Dienst von Strangeworks macht die Simulation zugängliche...

Abbildung 12.6: Auf diesem Bildschirm können Sie Ihren API-Schlüssel ersetzen.

Abbildung 12.7: Der abgeschlossene Job erscheint im Strangeworks-Portal.

Kapitel 13

Abbildung 13.1: Fujitsu und Toyota setzen Quanteninspiriertes Computing zur Optim...

Abbildung 13.2: Mit Hilfe von Quantencomputern und maschinellem Lernen wird Glas ...

Kapitel 14

Abbildung 14.1: Der Stammbaum der Algorithmen umfasst einsatzbereite Algorithmen ...

Abbildung 14.2: Der Quantum Algorithm Zoo ist eine umfangreiche Ressource für Arb...

Abbildung 14.3: Zeit hat im Quantencomputing immer noch eine Bedeutung – nur eine...

Abbildung 14.4: Der Algorithmus zur Quantenphasenschätzung schätzt die Phasenvers...

Abbildung 14.5: Bei der klassischen Schnellen Fourier-Transformation wird ein Sig...

Abbildung 14.6: Zenos Paradoxon besagt, dass es unmöglich ist, jemals etwas zu er...

Kapitel 15

Abbildung 15.1: Amazon Braket-Konsole.

Abbildung 15.2: Eine Zusammenfassung des Azure Quantum-Angebots von Microsoft.

Abbildung 15.3: Verwendung eines Notebooks zur Ausführung eines Jobs im Azure Qua...

Abbildung 15.4: Google hat Cirq entwickelt, eine Python-Softwarebibliothek für Qu...

Abbildung 15.5: Der IBM Quantum Composer ist ein nicht code-verarbeitendes Tool, ...

Abbildung 15.6: Das Strangeworks-Portal liefert Ihnen Informationen zum Quantenco...

Abbildung 15.7: Der Strangeworks-Produktkatalog ermöglicht Ihnen den Zugriff auf ...

Abbildung 15.8: Die lange Liste der Strangeworks-Computinganbieter ist umfassend.

Abbildung 15.9: IBM Quantum ist einer der im Strangeworks-Portal verfügbaren Comp...

Abbildung 15.10: Sie sehen die Jobs, die auf der von Ihnen gewählten Ressource au...

Abbildung 15.11: Sie sehen die Jobs, die auf der von Ihnen gewählten Ressource au...

Abbildung 15.12: Klicken Sie, um die Details zu jedem in Ihrem Arbeitsbereich lau...

Abbildung 15.13: Von Strangeworks verwaltete Anwendungen laufen auf mehreren Anbi...

Abbildung 15.14: Sie können für jede von Strangeworks verwaltete Anwendung, wie z...

Kapitel 16

Abbildung 16.1: Quantensuperposition, dargestellt auf der Website von MIT Quantum...

Abbildung 16.2: Quantum Quest bietet eine Lernmöglichkeit für Schüler der Oberstu...

Abbildung 16.3: Die Bearbeitung von Strawberry Fields dauert nicht ewig.

Abbildung 16.4: In den Unterlagen von John Preskill wird eine wechselseitig ortho...

Abbildung 16.5: Auf dem Quantum Computing Playground lernt man etw...

Abbildung 16.6: Quirk mag seine Tücken haben, aber das gilt auch für das Quantenc...

Orientierungspunkte

Cover

Titelblatt

Impressum

Über die Autoren

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Einleitung

Fangen Sie an zu lesen

Abbildungsverzeichnis

Stichwortverzeichnis

End User License Agreement

Seitenliste

1

2

3

4

7

8

9

10

21

22

23

24

25

26

27

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84

85

86

87

88

89

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

121

122

123

124

125

126

127

128

129

130

131

132

133

135

136

137

138

139

140

141

142

143

144

145

146

147

148

149

150

151

152

153

154

155

156

157

158

159

160

161

162

163

164

165

166

167

168

169

170

171

173

174

175

176

177

178

179

180

181

182

183

184

185

186

187

188

189

190

191

192

193

194

195

196

197

198

199

200

201

202

203

204

205

206

207

208

209

210

211

212

213

214

215

216

217

218

219

220

221

222

223

224

225

226

227

228

229

230

231

232

233

234

235

236

237

238

239

240

241

242

243

244

245

246

247

248

249

250

251

252

253

254

255

256

257

258

259

260

261

262

263

264

265

266

267

268

269

270

271

273

274

275

276

277

278

279

280

281

282

283

284

285

286

287

288

289

290

291

292

293

294

295

296

297

298

299

300

301

302

303

304

305

306

307

308

309

310

311

312

313

314

315

316

317

318

319

320

321

322

323

324

325

326

327

328

329

330

331

332

333

334

335

336

337

338

339

340

341

343

344

345

346

347

348

349

350

351

352

353

355

356

357

358

359

360

361

362

363

364

365

366

367

369

370

371

372

373

375

376

377

379

380

381

382

383

Vorwort

Liebe Leserinnen und Leser,

Als mein Freund whurley mich fragte, ob ich denn das technische Lektorat für Grundlagen des Quantencomputing für Dummies übernehmen könnte, saßen wir gerade in einem kantinenartigen Café einer großen Messehalle in Barcelona. Da das englische Original ein großes Leseerlebnis für mich war, schwankte mein Gefühl zwischen Freude und Respekt! Nun habe ich also die Ehre, Ihnen, zusammen mit der Übersetzerin des Buches, eine deutsche Variante dieses spannenden Werkes präsentieren zu dürfen.

Wenn Sie sich fragen, wie die Überarbeitung dieses Buches abgelaufen ist, dann werden viele von Ihnen vor ihrem geistigen Auge einen Physiker an einem dunklen, unordentlichen Schreibtisch zwischen komplizierten Formeln und Büchern sitzen sehen. Vielleicht habe ich in Ihrer Vorstellung einen Bart und wenn Sie sich mit Einstein befasst haben, dann trage ich vermutlich keine Socken. Die Unordnung mag stimmen, und es liegen auch Bücher herum, aber ansonsten sitzt da eine junge Frau auf einer Couch in ihrer Wohnzimmerecke in München und hört Taylor Swift, während sie sich bemüht, Ihnen diese komplexe Thematik in deutscher Sprache näherzubringen. Dabei trägt sie zumindest unterschiedliche Socken und die Jogginghose ihres Lieblings-Fußballvereins. Sehen Sie, genauso wenig wie die Vorstellung, die wir von Wissenschaftlern haben, die an dieser Thematik arbeiten, oder die verbreitete Meinung darüber, welche Potenziale und Auswirkungen die Quantentechnologien haben werden, der Wirklichkeit entspricht, so entzieht sich auch der Autor des englischen Originals dem Klischee des Wissenschaftlers im Laborkittel.

Ich erzähle Ihnen das alles, um Sie darauf vorzubereiten, all Ihre festgefahrenen Vorstellungen von der Realität und die liebgewonnenen Klischees loszulassen – denn jetzt geht es um Quantentechnologien! Quantentechnologien, das werden Sie über die Lektüre dieses Buches hinweg immer wieder sehen, sind etwas Faszinierendes. Wie die Reise bei Alice ins Wunderland. Eines der größten Abenteuer, das man heute erleben kann – zumindest in Sachbüchern. Diese Andersartigkeit macht Quantentechnologien so potenziell mächtig.

Mich persönlich fasziniert an dieser Technologie am meisten, dass, sobald die eigenen Denkmuster überwunden sind, eine ganz neue Welt entdeckt und erforscht werden kann. Außerdem ist es eine Technologie, die so facettenreich ist, dass man sie durch den Blickwinkel fast jeder Wissenschaft betrachten und dabei neue Erkenntnisse gewinnen kann. Für mich als Mathematikerin und Politikwissenschaftlerin bedeutet das, vor allem durch die technische und die gesellschaftliche Brille auf die Thematik zu blicken und sich gedanklich irgendwo zwischen der unbestechlichen Schönheit von Zahlen und House of Cards wiederzufinden.

Die vielleicht beste Nachricht daran ist, dass die Welt der Quantentechnologien so anders ist, dass Sie nicht zwangsläufig einen Nachteil haben, wenn Sie sich nicht mehr an die Schulmathematik oder -physik erinnern, denn sie spielt keine Rolle.

Der andere Faktor, weshalb ich die Auseinandersetzung mit dieser Technologie nur jedem ans Herz legen kann, ist ihr unfassbares Potenzial – von dem wir heute noch nicht einmal wissen, wie groß es eigentlich ist. Wir neigen dazu, Menschen, die sich nicht beruflich, sei es akademisch oder aber auch in der freien Wirtschaft, mit Technologie beschäftigen, zu reinen Zuschauern auf den Rängen der Technologiegeschichte zu machen. Vor circa einem Jahr habe ich gemeinsam mit meinem Mentor, Professor Urs Gasser, das Quantum Social Lab am TUM Think Tank an der Technischen Universität München gegründet (nein, wir nennen es nicht QSLTTTTUM). Dieses Lab beschäftigt sich schon heute mit den politischen, gesellschaftlichen und ethischen Auswirkungen der Quantentechnologien der zweiten. Generation (wenn Sie nicht wissen, was die zwei da soll … in knapp 400 Seiten werden Sie es wissen). Nicht weil es lukrativ ist, sondern weil wir daran glauben, dass diese Technologie so mächtig und entscheidend für die Zukunft, unsere Zukunft, sein könnte, dass wir uns schon heute nicht nur mit der technischen Entwicklung (die wirklich supercool ist), sondern auch mit den Folgen für die Gesellschaft als solches befassen müssen. Dieses Buch ist ein guter erster Schritt in diese Richtung, es holt Sie raus aus der Position des Zuschauers und zieht Sie mitten ins Geschehen.

Es kann sein, dass wir in zehn Jahren alle gemeinsam in einer Bar sitzen und feststellen, dass es die Quantentechnologie nicht geschafft hat. Dass diese Technologie immer noch faszinierend ist und uns zu neuen Arten des Denkens anregt, aber weder eine technische Ausgereiftheit erreicht hat, die einen wirtschaftlich großflächigen Einsatz ermöglicht, noch die nächste industrielle Revolution ausgelöst hat. Diese Möglichkeit gibt es, aber ich wette dagegen.

Wir leben in einer Zeit, in der wir mit der bislang größten vorhandenen Datenmenge konfrontiert sind. Wir leben in einer Zeit, in der wir die Anzahl der globalen Krisen, allen voran die Klimakrise, gar nicht mehr zählen können. Und das ist nur die Spitze des Eisbergs. Quantentechnologien haben die Möglichkeit, die Welt zum Positiven zu wenden oder aber auch die Krisen zu verschlimmern. Diese Technologie kann zur Optimierung von Medikamenten oder aber zur Optimierung von Waffen und Viren verwendet werden.

Lesen Sie das Buch bis zum Ende, und entscheiden Sie sich danach, was das nächste Kapitel ihrer Quantenreise sein wird: Sie wollen mehr über die zugrunde liegenden Mechanismen wissen? Dann sollten Sie sich weiter mit der Mathematik und Physik beschäftigen. Sie wollen den größtmöglichen monetären Nutzen daraus ziehen (auch okay)? Dann beschäftigen Sie sich einfach mit den besten Lösungen für Optimierung. Sie wollen die Welt retten? Dann basteln Sie mit an dieser Revolution und sorgen dafür, dass sie in die richtige Richtung geht.

Sie werden danach nicht in Ihrem Keller den nächsten Quantencomputer erfinden (vielleicht erfinden Sie ihn, aber nicht in Ihrem Keller – andernfalls würde mich interessieren, welchen Keller Sie so haben), aber es wird keinesfalls verschwendete Zeit sein.

Also wenn Sie mich fragen: So it's gonna be forever or it's going go down in flames – das mag für die Quantentechnologien gelten oder vielleicht infolgedessen auch für die Welt.

Wir arbeiten am forever happy ending – und ich hoffe, Sie machen das in Zukunft auch!

Bis dahin,

Cheers to whurley und Floyd!

Ihre

Fabienne Marco

Einleitung

Quantencomputing ist vergleichbar mit den schwefelspeienden Hydrothermalquellen am Grund des Marianengrabens – heiß und tief. (Und die Ausbruchskanäle im Marianengraben sind von den seltsamsten Lebensformen umgeben, was in der Analogie wenig Schmeichelhaftes über uns, Ihre Autoren, erahnen lässt.)

Quantencomputing ist ein heißes Thema, weil Fortschritt, Aktivität, Interesse und Investitionen in nie dagewesenem Ausmaß weiter zunehmen. Nicht zuletzt ist es in aller Munde, weil die Populärkultur darauf eingestiegen ist. Filme wie der Oscar-Gewinner 2023 »Everything Everywhere All at Once« und die Netflix-Serie »3 Body Problem« beschäftigen sich auf lebendige, interessante und sogar lustige Art mit der Quantenmechanik – der Wissenschaft, die dem Quantencomputing zugrunde liegt.

Und warum ist das Quantencomputing tiefgründig? Weil es die Quantenmechanik direkt auf einige der größten Probleme anwendet, mit denen die Menschheit heute konfrontiert ist, wie beispielsweise die Entdeckung von Medikamenten, die Verlängerung der Lebenszeit des Menschen und den Klimawandel. Und die Funktionsweise der Quantenwelt stellt unser Verständnis in Frage – manchmal sogar unser Verständnis der Realität.

Die Verschränkung ist eines der zentralen Prinzipien des Quantencomputing. Der Nobelpreis für Physik im Jahr 2022 wurde für Arbeiten zum Thema Verschränkung verliehen. Kein Geringerer als Albert Einstein bezeichnete die Verschränkung als »spukhafte Fernwirkung«. Das Quantencomputing basiert auf dieser »spukhaften Wirkung« und anderen quantenmechanischen Prinzipien – um unglaubliche Ergebnisse zu erzielen.

Aus diesem Grund sind wir beide sehr glücklich, Ihnen Grundlagen des Quantencomputing für Dummies präsentieren zu können. Wir hoffen, dass dieses Buch Ihre Aufmerksamkeit auf das große Ganze lenkt – und Ihnen auch zeigt, wann es an der Zeit ist, wie man so schön sagt, »die Klappe zu halten und zu rechnen«. Oder zu programmieren. Oder knallharte geschäftliche Entscheidungen dahingehend zu treffen, wo Sie Ihre Zeit, Ihre Energie und Ihr Geld investieren sollten.

Über dieses Buch

Grundlagen des Quantencomputing für Dummies bietet eine klare und prägnante Einführung in die Terminologie, Technologie und Techniken, die Sie für das Quantencomputing benötigen, um einen Job zu finden, geschäftliche Entscheidungen zu treffen, zu investieren oder sich einfach nur in diese faszinierende neue Technologie einzudenken.

Mit diesem Buch als Leitfaden erfahren Sie mehr über

Die Grundprinzipien der Quantenmechanik

Wie die Quantenmechanik mit dem Quantencomputing zusammenhängt

Wo die Technologie heute steht und wie sie sich auf Ihr Unternehmen und Ihre Karriere auswirken kann

Wie das quanteninspirierte Computing, eine Übergangstechnologie, zur Lösung komplexer Probleme auf heutigen Computern eingesetzt wird

Den Unterschied zwischen Quanten-Annealing, einer weiteren Übergangstechnologie, und gatterbasiertem Quantencomputing – der vollständigsten Ausprägung der Quantencomputertechnologie und dem, was wir meinen, wenn wir heute von Quantencomputern sprechen

Welche gatterbasierte spezifische Umsetzung eines Quantencomputers zu verwenden ist, basierend auf fast einem Dutzend Qubits

Mehr als ein Dutzend Quantenalgorithmen, die zur Lösung von Problemen beitragen können, mit denen Ihr Unternehmen heute möglicherweise konfrontiert ist

Die Feststellung, welche Art von Beschleunigung das Quantencomputing für die Probleme bieten könnte, die Ihr Unternehmen heute schon mit Hilfe von traditionellem Computing löst

Die Schritte, die erforderlich sind, um Ihr Unternehmen auf das Quantencomputing vorzubereiten – oder es zu einem führenden Unternehmen in diesem Bereich zu machen

Die Auswahl eines Cloud-Anbieters, der Ihnen bei den ersten Schritten mit der Technologie hilft – oft kostenlos

Online-Kurse zur Programmierung von Quantencomputern

Die Anmeldung bei einem Live-Portal und den Beginn ihrer eigenen Reise zur Programmierung von Quantencomputern

Online- und Offline-Ressourcen zur Vertiefung Ihres Wissens über Quantencomputing

Von Universitäten angebotene Programme, die Ihnen helfen, den nächsten Schritt in Richtung einer Karriere im Quantencomputing zu machen

Sie werden in den Nachrichten von den Fortschritten im Quantencomputing erfahren, und vielleicht diskutieren Sie mit Freunden oder am Arbeitsplatz über diese Technologie. Vielleicht erwägen Sie sogar, Ihre Karriere in diese neue Richtung zu lenken. All dies führt zu einer einfachen Frage: Wie können Sie sich auf das Quantencomputing vorbereiten?

Dieses Buch beantwortet diese Frage. Es versetzt Sie in die Lage, die Computer, die wir heute alle benutzen – die sogenannten klassischen Computer – mit diesem seltsamen neuen Wesen, dem Quantencomputer, in Verbindung zu bringen. Es zeigt Ihnen, was Sie heute mit Quantencomputern tun können und was Sie wahrscheinlich in der Zukunft tun können werden. Und es räumt mit vielen Mythen über Quantencomputer auf.

Anschließend vermittelt Ihnen das Buch, wie Sie in die Arbeit mit Quantencomputern einsteigen können, sei es bei der Programmierung eines Quantencomputers oder beim Einsatz von Quantencomputern in Ihrem Unternehmen. Und es hilft Ihnen, die Technologietrends zu verstehen, damit Sie die neuen Möglichkeiten im Auge behalten können, wenn sich das Quantencomputing weiterentwickelt.

Quantencomputer unterscheiden sich erheblich von den klassischen Computern, an die Sie gewöhnt sind. Dieses Buch hilft Ihnen bei der Entscheidung, wann Sie welche Art von Computern einsetzen sollten – jetzt und in Zukunft.

Durch Zeitungsartikel und das Internet kann man sich nur bruchstückhaft über das Quantencomputing informieren. Mit diesem Buch erhalten Sie ein vollständiges Bild. Sie können entscheiden, ob Sie und Ihr Unternehmen noch heute mit dem Quantencomputing beginnen müssen – und wenn ja, können Sie die Ärmel hochkrempeln und sich an die Arbeit machen.

Leichtsinnige Annahmen über den Leser

Grundlagen des Quantencomputing für Dummies ist für Anfänger geschrieben, was bedeutet, dass Sie vielleicht nicht einmal genau wissen, was Quantencomputing ist. Wir gehen nicht davon aus, dass Sie mehr über Physik oder Mathematik wissen, als der gesunde Menschenverstand Ihnen sagt. Und wir gehen auch nicht davon aus, dass Sie schon einmal einen Computer (gleich welcher Art) programmiert haben.

Wir gehen jedoch davon aus, dass Sie

bereits einen Computer, ein Smartphone oder beides benutzt haben

Zugang zum Internet haben, um neue Themen zu recherchieren

sich dafür interessieren, was das Quantencomputing für Ihre Karriere, Ihr Unternehmen oder die Welt bewirken kann

In diesem Buch verwendete Symbole

Wenn Sie schon andere Dummies-Bücher gelesen haben, wissen Sie, dass Symbole am Rand verwendet werden, um auf besonders wichtige oder nützliche Ideen im Text aufmerksam zu machen. In diesem Buch verwenden wir vier dieser Symbole.

Das Tipp-Symbol hebt fachkundige Abkürzungen oder einfache Ideen hervor, die Ihnen das Leben im Bereich des Quantencomputing erleichtern können.

Man könnte sagen, dass das ganze Buch eher technisch ausgerichtet ist, aber dieses Symbol hebt Informationen hervor, die besonders technisch sind. Sie können die mit diesem Symbol hervorgehobenen Informationen erneut lesen, wenn Sie tiefer einsteigen wollen, oder sie überspringen, wenn Sie nicht alle Details wissen wollen. Das bleibt ganz Ihnen überlassen!

Wir möchten zwar, dass jedes Wort in diesem Buch unvergesslich ist, aber wir möchten auch, dass Sie einige Informationen in andere Bereiche des Buches mitnehmen. Wir heben diese Punkte hervor, damit Sie schnell wichtige Erkenntnisse finden können, die für Ihren Einstieg in das Quantencomputing von großer Bedeutung sind.

Beim Autofahren sollten Sie langsamer fahren, wenn Sie ein Warnschild sehen. Dieses Symbol hat eine ähnliche Bedeutung. Es weist auf einen Bereich hin, in dem man leicht einen Fehler machen oder sich ein Missverständnis anbahnen kann.

Über das eigentliche Buch hinaus

Um auf die Webseite zu diesem Buch zu gelangen, gehen Sie auf www.dummies.com und geben Sie »Grundlagen des Quantencomputing für Dummies« in das Suchfeld ein. Die Webseite enthält die Schummelseite für das Buch. Sie erklärt die grundlegenden Begriffe, listet die verschiedenen Arten von Quantencomputern auf, ebenso wie die am häufigsten verwendeten Arten von Qubits. Außerdem enthält sie Links zu einigen Online-Kursen über Quantencomputer sowie Bonuskapitel mit technischen und kommerziellen Informationen.

Gelegentlich bieten die Verlage Aktualisierungen für Dummies-Bücher an. Wenn dieses Buch technische Aktualisierungen enthält, finden Sie diese auch hier.

Die in Kapitel 12 erwähnte Einführung in die Programmierung finden Sie unter www.dummies.com/go/quantumcomputingfd.

Einer der Autoren des Buches, William Hurley (bekannt als whurley), unterhält eine persönliche Website mit Informationen über Quantencomputing und andere interessante Themen. Sie können sie unter www.whurley.com besuchen. whurley ist CEO von Strangeworks, einem Unternehmen für Quantencomputing. Sie können Strangeworks unter www.strangeworks.com besuchen.

Falls Sie mehr über die Welt der Quanten und die damit einhergehenden gesellschaftlichen, sozialen und politischen Herausforderungen erfahren oder Vorträge und MOOCs in Deutschland und/oder auf deutscher Sprache suchen, sind Sie auch herzlich eingeladen, die Homepage des Quantum Social Labs in München unter https://tumthinktank.de/de/projekt/quantum-social-lab/ zu besuchen. Die Leiterin des Labs hat sich große Mühe gegeben, dem Witz der brillianten Autoren auch in der deutschen Version Raum zu geben, und freut sich über Besuche (möglichst virtuell).

Wie es jetzt weitergeht

Teil 1 führt Sie in das Quantencomputing und die eng damit verbundenen Technologien ein – die Quantenmechanik und das klassische Computing (mit Computern, die Sie heute benutzen). Teil 2 befasst sich eingehend mit den verschiedenen Möglichkeiten des Quantencomputing und den Qubit-Typen, die beim gatterbasierten Quantencomputing verwendet werden, der am leistungsfähigsten (und bisher am wenigsten entwickelten) Form der Technologie. Teil 3 ist ziemlich praxisorienitert, wenn man dieses Wort zur Beschreibung einer fast schon mystischen Technologie verwenden kann; er führt Sie in die Algorithmen des Quantencomputers und die Programmierung von Quantencomputern ein. Außerdem finden Sie hier Informationen zu weiteren Ressourcen, die Ihnen helfen, noch mehr über das Ganze zu erfahren. Und Teil 4 ist der berühmte »Teil der 10« der Dummies-Bücher; er enthält Listen der wichtigsten Punkte, die im Buch erwähnt werden, und deckt sowohl technische als auch kommerzielle Informationen ab.

Sie können dieses Buch einfach so lesen, wie Sie möchten. Wenn Sie es von Anfang bis Ende durchlesen, führt es Sie von den Grundlagen des Quantencomputers und des klassischen Programmierens bis hin zu vertieften Kenntnissen über technische Themen wie Qubits und Algorithmen des Quantencomputing. Anschließend zeigt es Ihnen, wie Sie auf Quantencomputer zugreifen und sie programmieren können, und gibt Ihnen eine Vielzahl von Möglichkeiten an die Hand, sich selbst, Ihre Karriere und Ihr Unternehmen mit dieser Technologie voranzubringen.

Wir verstehen es aber auch, wenn Sie vielleicht nur bestimmte Abschnitte dieses Buches lesen möchten. Vielleicht möchten Sie Themen, die Sie interessieren, vertiefen und andere Abschnitte nur kurz überfliegen. Sie können sich die Themen, die Sie interessieren, in der Reihenfolge ansehen, in der wir sie im Buch angeordnet haben, in Ihrer eigenen Reihenfolge, basierend auf Ihren eigenen Interessen, oder in keiner bestimmten Reihenfolge. Das Buch ist voll von Querverweisen und Wegweisern, die Ihnen helfen, alle Informationen zu finden, die Sie benötigen.

Teil I

Die Macht des Quantencomputing

IN DIESEM TEIL …

Verschaffen Sie sich einen Überblick über die Hardware und Software des Quantencomputers und den aktuellen Stand der Entwicklung auf diesem Gebiet.Erfahren Sie mehr über die Anfänge des klassischen Computings, den Ansatz, der die vielen verschiedenen Arten von Computern beschreibt, die die Menschen heute im täglichen Leben nutzen – von PCs über Smartphones bis hin zu Saugrobotern.Entdecken Sie die Wurzeln des Quantencomputing, das auf den Entdeckungen der Quantenmechanik beruht, die in den frühen 1900er Jahren unter der Leitung von Persönlichkeiten wie Albert Einstein und Neils Bohr aufkam.Finden Sie heraus, wie die Quantenmechanik zur Entwicklung früher Quantencomputertechnologien genutzt wurde, wie beispielsweise für Röntgengeräte, Fernsehgeräte und Laserstrahlen.Begleiten Sie uns auf den Spuren der Quantenmechanik bis zu den Anfängen des Quantencomputers einschließlich der ersten Quantencomputer-Algorithmen und der ersten Qubits.Beobachten Sie die Entwicklung des Quantencomputing in den letzten Jahren, in denen Forschung und Entwicklung, Interesse und Risikokapitalinvestitionen rasch zunahmen.

Kapitel 1

Das Quantencomputing-Bootcamp

IN DIESEM KAPITEL

Seltsamkeit auf die Tagesordnung setzenDie Leistung von Quantencomputern bestimmenDie Vorteile von Quantencomputing erkennenEine Bestandsaufnahme verschiedener Quantencomputer-Typen vornehmenHindernisse für neue Möglichkeiten überwinden

Stellen Sie sich vor, Sie werfen eine Münze in die Luft. Zeigt sie Kopf oder Zahl, während sie sich dreht? Während die Münze geworfen wird, haben Sie keine Antwort darauf. Erst wenn die Münze landet und am Boden liegt, zeigt sie ein eindeutiges Ergebnis.

Die Ungewissheit, die Sie erfahren, während sich die Münze dreht, entspricht der Ungewissheit, die wir beim Quantencomputing erfassen und nutzen. Wir versetzen viele Verarbeitungseinheiten– sogenannte Qubits – in einen Zustand der Unsicherheit (wir werfen die Münze also quasi in die Luft, damit sie anfängt sich zu drehen und wissen eben nicht, ob sie nun gerade eine 1, oder eine 0 zeigt oder etwas dazwischen). Dann programmieren wir die Qubits, führen das Programm aus und erfassen die Ergebnisse – genau wie bei der Münze.

Quantencomputing funktioniert anders als wir es von den eindeutig bestimmten 0en und 1en, Bits und Bytes, die in den heutigen Computern verwendet werden, gewohnt sind. Das Quantencomputing basiert auf der Quantenmechanik, einem Teilgebiet der Physik, das mitunter schwer zu verstehen ist. Aber die Art und Weise, wie Quantencomputing mit großen Unsicherheiten umgeht, ähnelt der Art und Weise, wie wir viele unserer Entscheidungen im täglichen Leben treffen.

Quantencomputing ist eine Ergänzung zum klassischen Computing, also der Art von Computing, wie wir es heute verwenden – und kein Ersatz dafür. Durch den Ansatz, mit Ungewissheit zu arbeiten, können wir einige der größten und komplexesten Probleme der Menschheit auf eine neue und vielversprechende Weise angehen. Quantencomputing wird Probleme lösen, für die die heutige Technologie nicht ausreicht – Probleme in Bereichen wie der Klimamodellierung, der Medikamentenentwicklung, der Finanzoptimierung und der Frage, ob es ein guter Morgen ist, um eine Rakete zu starten.

Quantencomputing steht erst am Anfang; viele vergleichsweise leistungsstarke Quantencomputer laufen jeweils nur für den Bruchteil einer Sekunde. Aber es werden ständig Fortschritte gemacht. Und schon jetzt, in diesem frühen Stadium, inspiriert uns Quantencomputing dazu, »anders zu denken«, was die Art und Weise betrifft, wie wir vorhandene Rechenkapazität nutzen. In diesem Kapitel stellen wir die Leistungsfähigkeit und das Potenzial des Quantencomputing vor.

In diesem Kapitel werden viele Begriffe und Konzepte vorgestellt, die Ihnen vielleicht noch nicht geläufig sind. Keine Sorge, wir erklären sie alle in späteren Kapiteln ausführlich. (In Kapitel 3 beispielsweise wird die Quantenmechanik beschrieben und erklärt, wie Quantencomputing damit zusammenhängt.) Betrachten Sie dieses Kapitel als eine Art Bootcamp für den neuen Quantencomputingspezialisten, zu dem Sie sich nach der Lektüre dieses Buches entwickeln werden.

Verstehen, warum Quantencomputing so seltsam ist

Quantencomputer sind irgendwie seltsam – auf eine geradezu mystische Art und Weise. (Der Film »Dr. Strange in the Multiverse of Madness« aus dem Jahr 2022 fängt ein wenig von dem Gefühl ein, das die Menschen gegenüber der Quantenmechanik im Allgemeinen haben.) Warum ist das so?

Es gibt zwei Hauptgründe dafür. Der erste Grund ist das grundlegende Missverständnis der Menschen, was die Natur der Materie betrifft, die Gegenstand der Quantenmechanik ist. Der zweite Grund ist die unglaubliche Leistung, die Quantencomputing, wenn es irgendwann ausgereift sein wird, der Menschheit bringen wird.

Wie verändert die Quantenmechanik (beschrieben in Kapitel 3) die Weltanschauung der Menschen? Die Welt, in der wir leben, in der Steine nach unten fallen und Raketen aufwärts fliegen, scheint von fester Materie beherrscht zu sein, wobei Energie eine Macht ist, die zu verschiedensten Zeiten auf die Materie wirkt. Man könnte sich Materie jedoch auch einfach als erstarrte Energie vorstellen.

Der größte Teil der Masse der Protonen und Neutronen im Inneren eines Atomkerns beispielsweise ist lediglich eine zahlenbasierte Beschreibung der ungeheuer starken Energiefelder, die diese Teilchen an ihrem Platz halten. Eine der wichtigsten Arten von Teilchen im Quantencomputing, die Photonen, haben überhaupt keine Masse; sie bestehen aus reiner Energie.

Und es war Einstein selbst, der uns mit seiner berühmten Gleichung E=mc2 mitteilte, dass Materie und Energie gleichwertig sind. Übersetzt bedeutet dies: Die in fester Materie enthaltene Energie ist gleich ihrer Masse multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat.

Die Lichtgeschwindigkeit ist eine sehr große Zahl – sie beträgt circa 300.000 km/Sekunde. Quadriert man die Lichtgeschwindigkeit, erhält man eine noch viel größere Zahl. Setzt man diese sehr große Zahl in Einsteins berühmte Gleichung ein, sieht man, dass selbst in kleinen Mengen von Materie eine große Menge Energie stecken kann – wie Kernkraftwerke und Atomwaffen beweisen.

Der Punkt ist, dass in der Quantenmechanik Materie nur eine untergeordnete Rolle spielt. Teilchen verhalten sich weniger wie Massepunkte oder kleine Bälle, sondern eher wie Energiebündel. Quantencomputing macht sich die exotischen Eigenschaften dieser Teilchen – ionisierter Atome, Photonen, supraleitender Metalle und anderer Materie, die ein quantenmechanisches Verhalten zeigen – zunutze.

Der zweite Grund, warum Quantencomputer eine so starke emotionale Reaktion hervorrufen, ist ihre enorme Leistung. Die besten heute vorhandenen Quantencomputer, befinden sich noch im Anfangsstadium und sind deshalb, wenn überhaupt, nicht viel leistungsfähiger als ein herkömmlicher Supercomputer. Es wird jedoch erwartet, dass künftige Quantencomputer enorme Geschwindigkeitssteigerungen bei der Lösung nahezu aller Probleme liefern werden. Das bedeutet nicht nur, dass heute zu lösende Probleme schneller gelöst werden können – es bedeutet insbesondere, dass es möglich sein wird, Probleme, bei denen ein Computer heute so lange rechnen würde, dass sich die Rechnung nicht lohnt, lösbar sein werden.

Wir gehen davon aus, dass Quantencomputer in den nächsten zehn oder zwanzig Jahren im Hinblick auf die Probleme, die sie lösen können, Hunderte, Tausende oder sogar Millionen Male schneller sein werden als heutige Computer. Die Menschen können nicht wirklich vorhersagen oder sich auch nur ansatzweise vorstellen, wie es sein wird, wenn diese Art von Rechenleistung für einige der wichtigsten Herausforderungen der Menschheit zur Verfügung steht, wie in den Kapiteln 13 und 14 beschreiben wird. Diese Zukunft ist sehr aufregend, ja. Aber sie ist auch ein wenig »gespenstisch«, wie Einstein die Quantenmechanik beschrieb.

Die Macht des Quantencomputing verstehen

Um Ihnen den Einstieg in das Verständnis des Quantencomputing zu erleichtern, sollten Sie sich zunächst mit den folgenden fünf großen Konzepten vertraut machen:

Qubits:

Qubits

sind die Quantencomputer-Variante von Bits – den 0en und 1en, die den Kern der klassischen Informatik bilden. Sie haben quantenmechanische Eigenschaften. Qubits sind der Ort, an dem die ganze Magie des Quantencomputing stattfindet.

Überlagerung

oder Superposition

:

Während Bits auf 0 oder 1 beschränkt sind, kann ein Qubit einen undefinierten Wert annehmen, der weder 0 noch 1 ist, bis der Wert des Qubit gemessen wird. Die Fähigkeit, mehrere Werte gleichzeitig anzunehmen, wird

Überlagerung

oder

Superposition

genannt.

Verschränkung

oder Entanglement

:

Beim klassischen Computing sind die Bits sorgfältig voneinander getrennt, sodass der Wert eines Bits den Wert der anderen nicht beeinflusst. Qubits dagegen können miteinander verschränkt sein. Wenn Änderungen an einem Teilchen sofortige Änderungen an einem anderen Teilchen bewirken und wenn die Messung des Wertes für ein Teilchen den entsprechenden Wert für ein anderes Teilchen ergibt, sind die Teilchen

miteinander verschränkt

.

Tunneling

:

Ein quantenmechanisches Teilchen kann sich unmittelbar von einem Ort zu einem anderen bewegen, selbst wenn sich dazwischen eine Barriere befindet. (Das Quantencomputing nutzt diese Fähigkeit, um Barrieren zu umgehen und die bestmögliche Lösung zu finden.) Dieses Verhalten wird als

Tunneling bezeichnet

.

Kohärenz

:

Ein Quanten-Teilchen, beispielsweise ein Elektron, das frei von äußeren Störungen ist, ist

kohärent

. Nur kohärente Teilchen können Superposition und Entanglement zeigen.

Wie hängen diese Begriffe zusammen? Hier ein Beispiel: Ein gutes Qubit lässt sich relativ leicht in einen kohärenten Zustand versetzen und in diesem Zustand halten, sodass es Superposition und Verschränkung aufweisen und daher tunneln kann. (Die Suche nach »guten Qubits» ist heute Gegenstand zahlreicher Arbeiten und Kontroversen. Dieses Thema wird in den Kapiteln 10 und 11 ausführlicher beschrieben.)

Diese fünf Begriffe bilden das Herzstück dessen, was sich Experten vom Quantencomputing versprechen und sind mit vielen der Herausforderungen verbunden, die eine vollständige Implementierung des Quantencomputing aktuell erschweren. In diesem Abschnitt beschreiben wir jedes dieser elementaren Konzepte genauer.

Das klassische Computing beschreibt die Computer, die wir täglich benutzen. Dazu gehören nicht nur Laptops und Desktop-Computer, sondern auch Smartphones, Webserver, Supercomputer und viele andere Arten von Geräten. Der Begriff »klassisches Computing« wird verwendet, weil klassische Computer für die Informationsverarbeitung die klassische Mechanik nutzen, also die Ursache-Wirkung-Regeln, die wir in unserem täglichen Leben sehen und anwenden. Quantencomputing verwendet anstatt der klassischen newtonschen Mechanik die Quantenmechanik – die tatsächlich nicht nur anders, kompliziert und sehr interessant, sondern auch sehr leistungsfähig ist – für die Informationsverarbeitung. Wir führen in diesem Kapitel einige quantenmechanische Prinzipien ein und gehen in Kapitel 2 dann noch einmal ausführlicher auf die Details ein.

Puff, Magie – oder kurz: Qubit?

Bits sind die Grundlage für klassisches Computing – also Laptops, Server, Smartphones und Supercomputer, die wir heute benutzen. Bit ist die Abkürzung für Binary Digit, also Binärziffer, wobei Ziffer für eine einzelne Zahl steht, und binär bedeutet, dass die Zahl nur einen von zwei Werten annehmen kann: 0 oder 1 – genau wie das Ergebnis eines Münzwurfs.

In einem Computer werden Bits in winzigen, billigen elektromechanischen Bauteilen gespeichert, die zuverlässig entweder eine 0 oder eine 1 aufnehmen, speichern und zurückgeben – zumindest solange, bis der Strom abgeschaltet wird. Da ein einzelnes Bit nicht viel aussagt, werden Bits in Bytes (von dem jedes wiederum 8 Bits enthält) verpackt, wobei ein einzelnes Byte 256 Werte speichern kann. (28 – alle möglichen Kombinationen von 8 binären Ziffern, also 256).

Ein Qubit ist ein komplexes Gerät, dessen Kern Materie in einem quantenmechanischen Zustand bildet (beispielsweise ein Photon, ein Atom oder ein winziges Stück supraleitendes Metall). Das Qubit enthält eine Art Behälter, z. B. ein starkes Magnetfeld, das die Materie daran hindert, mit ihrer Umgebung in Wechselwirkung zu treten.

Ein Qubit ist viel komplexer und viel leistungsfähiger als ein Bit. Aber Qubits sind heute nicht sehr zuverlässig, und zwar aus zwei Gründen:

Sie sind anfällig für Fehler, die durch Rauschen in ihrer Umgebung verursacht werden. Ein Ergebnis von 0 kann versehentlich in ein Ergebnis von 1 umgewandelt werden oder umgekehrt, und es gibt keine einfache Möglichkeit zu erkennen, dass überhaupt ein Fehler passiert ist.

Es ist schwierig, Qubits kohärent zu halten, sodass sie überhaupt zur Überlagerung, Verschränkung und zum Tunneln fähig sind.

Die Situation mit den Qubits ist heute ein wenig wie der alte Witz über ein schlechtes Restaurant: »Das Essen ist schrecklich – und die Portionen sind klein!« Bei Qubits sind die Fehlerquoten hoch und die Kohärenzzeit ist kurz. Das bedeutet, dass den Geräten trotz hoher Fehlerquoten nur wenig Zeit für einzelne Rechenoperationen und die Lösung des Problems bleibt. Aber trotz dieser Probleme liefern Quantencomputer wertvolle und interessante Ergebnisse, wenn sie in Betrieb sind.

Qubits sind außerdem viel komplexer und teurer als Bits. Sie sind auch nicht so einfach zu handhaben – aber sie sind viel leistungsfähiger.

Abbildung 1.1 zeigt ein Quantencomputermodul von IBM, das am Boden einer Kühlung hängt, die die supraleitenden Qubits auf einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt hält.

Bis es gemessen wird, repräsentiert jedes Qubit einen unendlichen Bereich von Werten zwischen 0 und 1. Wie kann ein Qubit so viele Werte auf einmal repräsentieren? Der Kern des Qubits ist ein Quantenteilchen – ein winziges Stück Realität in Form eines Photons, eines Elektrons, eines ionisierten Atoms oder eines künstlichen Atoms aus einem supraleitenden Metall.

Für das Quantencomputing muss das Quantenteilchen im Kern des Qubits in einem kohärenten Zustand gehalten werden – unkontrolliert, wie die geworfene Münze, während sie sich in der Luft dreht. In einem kohärenten Zustand wissen wir nicht, ob der Wert des Qubits zu einem bestimmten Zeitpunkt 0 oder 1 ist. Wenn wir den Zustand des Qubits messen, wird die von uns gewünschte Berechnung ausgeführt, und das Qubit gibt 0 oder 1 als Ergebnis der Messung zurück.

Ein großer Teil der Leistungsfähigkeit von Qubits beruht auf der Tatsache, dass sie sich probabilistisch verhalten; ein bestimmtes Qubit, das dieselbe Berechnung mehrfach fehlerfrei durchführt, kann bei einigen Durchläufen eine 0 und bei anderen eine 1 ergeben. Das Endergebnis setzt sich aus der Anzahl der Fälle zusammen, in denen das entsprechende Qubit jeweils eine 0 oder eine 1 ausgegeben hat. Das Ergebnis der meisten Quantenberechnungen ist also eine Menge von Wahrscheinlichkeiten und kein einzelnes Ergebnis in Form einer einzelnen Zahl.

Abbildung 1.1: Ein Quantencomputer-Prozessor von IBM.

© Flickr/Lars Plougmann

Qubits sind sowohl schwer zu erzeugen als auch in einem Zustand der Kohärenz zu halten; außerdem neigen sie dazu, mit benachbarten Qubits unkontrolliert zu interferieren. Die Zähmung von Qubits ist eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung nützlicher Quantencomputer.

Ein beliebter Ansatz für den Bau von Quantencomputern ist die Verwendung supraleitender Qubits, die bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt gehalten werden müssen, um hitzebedingte Störungen zu minimieren und so seine quantenmechanischen Eigenschaften zu erhalten.

Klassische Computer sind so konzipiert, dass sie bei Raumtemperatur funktionieren, aber sie neigen dazu, Wärme zu erzeugen und bei zu stark ansteigender Temperatur nicht mehr richtig zu funktionieren. Die Notwendigkeit, die Wärme, die beim Betrieb der Computer entsteht, abzuführen, hindert die Gerätehersteller daran, die Komponenten so dicht nebeneinander zu packen, wie sie es gerne hätten, ohne auf teure und umständliche Lösungen wie Wasserkühlung oder Kühlung der Komponenten zurückzugreifen.

Beim Quantencomputing steigert jedes zusätzliche Qubit die Leistung des Computers exponentiell. Da Qubits jedoch dazu neigen, sich gegenseitig zu stören, ist das Hinzufügen weiterer Bits schwierig.

IBM, ein führendes Unternehmen im Bereich Quantencomputing, hat einen Entwicklungsplan veröffentlicht, der zeigt, wie sich die Anzahl der Qubits, die in den aktuellen und künftigen Quantencomputern verbaut sind, in der Vergangenheit erhöht hat und in der Zukunft erhöhen wird. Eine vereinfachte Version dieses Plans ist in Abbildung 1.2 dargestellt. Einen Link zur aktuellen Version finden Sie unter https://research.ibm.com/blog/ibm-quantum-roadmap-2025.

Abbildung 1.2: Die Roadmap für Quantencomputer von IBM zeigt das bisherige und das erwartete Wachstum der Anzahl der verfügbaren Qubits.

Superposition (Überlagerung) – die erste Quanten-Superkraft

Der Zustand der Möglichkeit, der den Qubits zur Verfügung steht, wird als Superposition (Überlagerung) bezeichnet, wobei Super für viele und Position für Möglichkeiten steht. Ein herkömmliches Bit kann entweder 0 oder 1 sein. Ein Qubit im Zustand der Überlagerung hat keinen definierten Wert, da es viele potenzielle Werte gleichzeitig transportiert. Aber wenn wir ein Qubit messen, erhalten wir einfach 0 oder 1 zurück – je nachdem, in welchen Wert die energetische Wellenfunktion des Qubits im Moment der Messung kollabiert.

Die Superposition ist der erste von zwei wichtigen Gründen für die Leistungsfähigkeit der Quanteninformatik. Der andere, das Entanglement, also die Verschränkung, wird im nächsten Abschnitt beschrieben.

In Kapitel 3